一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于光学检测技术领域，具体为法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。本发明专利技术的传感器为一个空心的石英微泡，微泡上、下半泡外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；微泡的两端具有开口，用于与检测系统连接。在进行检测时，根据检测对象的生物化学分子特性，在微泡内表面进行硅烷化处理和官能化处理，使生物化学分子与其结合，以实现对生物分子特异性检测功能。本发明专利技术还包括基于光学微泡传感器的检测系统。本发明专利技术微泡传感器具有超高的品质因数，可以实现对超低微量浓度、超小物理量的化学生物试剂的检测；此微泡传感器制作方便，操作简单，整体设计成本较低。

【技术实现步骤摘要】
一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法
本专利技术属于光学检测
，具体涉及法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。
技术介绍
光学方法很早就被用来进行生物化学物理样品的分析，基于光学方法的谐振腔，具有高品质因子（高Q值），很小的模式体积，非破坏性无侵害测量，不受电磁干扰，高灵敏度，高响应速度等优点，已经在诸多医疗领域进行应用。基于自集成法布里珀罗谐振的光学微泡传感器能够产生高品质因子（104）的共振光，实现更长的作用量程。这些特点使得法布里珀罗谐振的光学微泡传感器可以测量很微小的共振波长变化，因此这类传感器被广泛应用于生物传感领域。通常，FP谐振腔（即法布里珀罗（Fabry–Pérotresonance，FP）谐振腔）腔由两块保持高度平行的平面反射镜组成，其中两块平面反射镜之间的间距L为微腔腔长。当光束在微腔内来回传播时，只有满足谐振条件（neffL=mλ）的光可以形成驻波。其中neff为微腔内介质的有效折射率，L为微腔腔长，m为正整数，λ为微腔的谐振波长。反射镜的表面一般为镀有高低折射率薄介电质膜的周期布拉格结构，从而形成具有高反射率的薄膜，其中透射镜支持部分透射从而保证激光输出。法布里帕罗微腔在本质上实用且方便，主要表现在：泵浦激光通过第一面高反射镜后，进入微泡并激发微泡中的增益介质，通过微泡的曲面及两块高度平行的平面反射镜的双重限制作用，可以达到很好的选模效果，容易产生单模激光。由于法布里帕罗微腔传感器中产生的激光光场与待测物质之间相互作用，可以实现待测物质的微量变化输出较为明显的光谱变化，使其在物理化学生物等检测中有较高的灵敏度。现有的法布里帕罗微腔仅仅是依靠两块的平面反射镜组成[1,2],而保持两片平面反射镜的高度平行是非常困难的，即法布里珀罗谐振腔对其两个平面反射镜的平行性要求苛刻，在实际传感器制备中很难实现两块平面反射镜完全平行，最终无法产生激光或是产生高阶模式，导致实际样品探测中灵敏度下降。经过理论计算，发现由于两块反射镜无法保持高度平行而导致法布里帕罗微腔传感器的Q值下降，从而使法布里帕罗微腔传感器的品质因数下降；因此，在实际生物样品检测中不得不提高泵浦光的能量以实现比较明显的信号变化。但输入泵浦光能量增大，又会对生物化学样品结构产生破坏，尤其是活体生物或有机化学材料，在实际难以实用。同时，双平面镜的法布里帕罗微腔对模式的选择效果不如双凹面镜。在实际应用中直接制作凹面镜，特别是制作具有低表面粗糙度和清晰几何结构的微米级凹面镜，仍然是一项复杂而昂贵的工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够保持高灵敏、又有高Q值的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器及其制备方法。本专利技术提供的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，为一个空心的石英微泡（即为中空石英微球），该石英微泡上、下半泡的外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；石英微泡的两端具有开口；该两端开口用于与检测系统连接。本专利技术中，石英微泡的几何尺寸为直径不超过1mm，壁厚不超过10μm。本专利技术中，所述石英微泡上、下半泡的表面分别镀有不同的高反射率的金属膜或介质膜，其中，一面为反射率99-100%的全反射膜，另一面为1-5%透射率的部分反射膜。本专利技术中，所述高反膜的反射波长范围为1500nm-1700nm，部分透射膜的透射波长为1500nm-1700nm。本专利技术中，所述全反射膜的厚度为50nm至60nm。本专利技术中，所述部分反射膜的厚度为30-40nm。本专利技术中，所述石英微泡的两端具有开口，两端开口分别可以连接特氟龙软管，其中一条特氟龙软管作为分析物流入管道，另一条特氟龙软管作为分析物流出管道。本专利技术所述传感器可用于物理量、化学量、气液体、生物分子等分析物传感检测。在进行具体检测时，根据检测对象的生物化学分子，在石英微泡内表面进行硅烷化处理和官能化处理，使生物化学分子（探针蛋白或抗体蛋白）与其结合，将生物化学分子固定在石英微泡传感器内表面，形成针对探针位点，以实现对无标记的生物分子特异性检测功能。本专利技术提供的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器的制备方法，具体步骤为：（1）选取一段毛细石英管，用光纤熔接机将毛细石英管一端熔融封闭；这时光纤熔接机焊接参数可设置为：焊接电流为12-14mA，放电时间为2-3s；（2）在熔接机高压放电的条件下，用注射器往毛细石英管内打气增大内部压强，受热熔融状态下的毛细石英管由于压强增大而发生一定幅度的膨胀；这时光纤熔接机的焊接参数可设置为：焊接电流为7-8mA，放电时间为1s-2s；（3）多次重复步骤2，直至形成所需尺寸的石英微泡结构；（4）将多个微泡并排在一个“口”字形的玻璃支架上，固定微泡两端的毛细石英管；（5）采用镀膜技术，在微泡的上下半泡的外表面镀上不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，获得所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器。本专利技术还提供一种基于上述法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器的检测系统，包括：可调谐激光器，单模光纤，光纤耦合器，FP谐振腔传感器，注射器，注射泵，光电探测器，信号发生器，示波器，储物瓶；其中：所述可调谐激光器，用于发出出射激光；所述单模光纤，用于将所述激光器出射激光传输到光纤耦合器；所述光纤耦合器，用于将传输的激光耦合到FP谐振腔内，并将FP谐振腔出射的光信号收集回传，经由另一端出射；所述FP谐振腔传感器，为一个石英微泡，其两端具有开口，两端开口分别连接特氟龙软管，其中一条特氟龙软管作为分析物流入管道，另一条特氟龙软管作为分析物流出管道；所述注射器，连接一特氟龙软管，抽取分析物至石英微泡泡中；所述注射泵：用于为注射器提供抽取动力；所述光电探测器，用于接收所述出射激光，并收集所述出射激光的光谱；所述信号发生器，用于产生调制信号，控制可调谐激光器，产生随信号变化而变化的激光波长；所述示波器，用于显示光电探测器收集到的出射光信号，显示为光谱；所述储物瓶，用于储存检测分析物，分析物可以是物理量、化学量、气液体、生物分子等成分。本专利技术检测系统适于检测分析物浓度。本专利技术检测系统的工作流程为：开启可调谐激光器，发出出射光；利用注射器抽取待测分析物，通过石英微泡一端开口注射入石英微泡中；然后，采用光电探测器收集信号并用示波器显示。本专利技术的技术原理为：本专利技术中高法布里珀罗（FP）谐振腔微泡传感器是通过镀膜技术在微泡外表面镀上高反射率的金属膜或介质膜，利用微泡外表面的反射膜来形成法布里珀罗（FP）谐振腔，因此降低调整法布里珀罗（FP）谐振腔两个反射镜平行度的难度。本专利技术的传感器为微米量级的中通结构微泡，外表面镀有特定波长、特定反射率的介质膜（金属膜），介质膜包括高反膜和部分透射膜，镀在微泡表面充当一个凹面反射镜，可以将光场能量尽可能多的集中在微泡中，使得微泡对入射激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，为一个空心的石英微泡，该石英微泡上、下半泡的外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；石英微泡的两端具有开口；该两端开口用于与检测系统连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，为一个空心的石英微泡，该石英微泡上、下半泡的外表面分别镀有不同反射率的金属薄膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，形成法布里珀罗结构的谐振腔；石英微泡的两端具有开口；该两端开口用于与检测系统连接。


2.根据权利要求1所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，所述石英微泡的直径不超过1mm，壁厚不超过10μm。


3.根据权利要求1所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，所述石英微泡上、下半泡的表面分别镀有不同的高反射率的金属膜或介质膜，其中，一面为反射率99-100%的全反射膜，另一面为1-5%透射率的部分反射膜。


4.根据权利要求1所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，所述全反射膜的厚度为50nm至60nm；所述部分反射膜的厚度为30-40nm。


5.根据权利要求1-4之一所述法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器，其特征在于，根据检测对象的生物化学分子特性，在石英微泡内表面进行硅烷化处理和官能化处理，使生物化学分子与其结合，将生物化学分子固定在石英微泡传感器内表面，形成针对探针位点，以实现对无标记的生物分子特异性检测功能。


6.一种如权利要求1-5之一所述的法布里珀罗谐振腔光学微泡传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）选取一段毛细石英管，用光纤熔接机将毛细石英管一端熔融封闭；这时光纤熔接机焊接参数可设置为：焊接电流为12-14mA，放电时间为2-3s；
（2）在熔接机高压放电的条件下，用注射器往毛细石英管内打气增大内...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志和，赵旭阳，吴翔，蒋鹏，林宏泽，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31